NB-IoT聯(lián)合組網(wǎng)及優(yōu)化策略

孟凡，王金忠

(1 中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050000；2 國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，石家莊 050000)

隨著通信產(chǎn)業(yè)推動萬物互聯(lián)時代的到來，預(yù)計到2030年全球物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)達(dá)到千億級，重點涵蓋智能家居、智慧醫(yī)療和物流跟蹤等領(lǐng)域[1，2]。在業(yè)務(wù)承載技術(shù)上，分為以Wi-Fi、藍(lán)牙、Sigfox和LoRa為代表的非蜂窩技術(shù)和承載在2G/3G/4G、NB-IoT、eMTC等為代表的蜂窩技術(shù)。鑒于后者具備廣覆蓋、可移動性、大連接和多場景等優(yōu)勢，在業(yè)務(wù)供給、資源配置、建設(shè)部署和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)等方面非常適合物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模發(fā)展，其中的典型代表eMTC和NB-IoT得到運營商的重點關(guān)注，基于蜂窩連接比重將達(dá)到10%以上。NB-IoT技術(shù)主要適用于覆蓋要求高、用戶速率低、非語音和低速移動場景的業(yè)務(wù)；eMTC能夠支持更廣泛的業(yè)務(wù)形態(tài)和終端類型，主要適用于有實時性要求、移動場景和語音需求的業(yè)務(wù)。綜合考慮牌照發(fā)放和技術(shù)性能等因素，NB-IoT技術(shù)在現(xiàn)階段更適合大規(guī)模建設(shè)部署。

作為滿足低功耗廣域網(wǎng)的NB-IoT技術(shù)支持物聯(lián)網(wǎng)超低速率業(yè)務(wù)（分類如表1所示），具備四大基本特點。

（1）更深、更廣覆蓋性能，同頻段和配置下，比現(xiàn)有900 MHz GSM網(wǎng)絡(luò)增益高約20 dB，覆蓋面積擴(kuò)大約100倍。

（2）支持海量連接數(shù)，單小區(qū)可支持近50 000個連接終端，比LTE提升1～2個數(shù)量級。

（3）更低終端功耗，電池壽命可達(dá)10年以上。

（4）更低模塊成本，技術(shù)改進(jìn)和規(guī)模效應(yīng)下模組芯片成本低至幾美元。因此，在通信技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展之際，運營商如何利用自身基礎(chǔ)資源優(yōu)勢[3，4]、合理推動NB-IoT網(wǎng)絡(luò)后續(xù)演進(jìn)是亟待解決的問題。本文以某運營商現(xiàn)網(wǎng)情況和規(guī)劃建設(shè)為例進(jìn)行討論分析。

1 NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)

隨著5G時代的到來，NB-IoT技術(shù)受到了各大運營商的積極推動。在國際上，Vodafone為加速部署物聯(lián)網(wǎng)，通過建立NB-IoT開放實驗室研究網(wǎng)絡(luò)部署、創(chuàng)新應(yīng)用、設(shè)備集成和業(yè)務(wù)模式等問題，計劃2019年實現(xiàn)M2M SIM卡在全球90%以上區(qū)域的無縫漫游；SK Telecom投資千億韓元新建NB-IoT試驗網(wǎng)絡(luò)和ThingPlug開放平臺，計劃今年在全國范圍部署基于LoRa技術(shù)的低功耗廣域網(wǎng)；DoCoMo和Sprint也在重點發(fā)展M2M業(yè)務(wù)，通過建立服務(wù)平臺與嵌入模塊來推動物聯(lián)網(wǎng)市場規(guī)模發(fā)展。在國內(nèi)，三大運營商早已擬定NB-IoT建設(shè)原則和部署計劃，對各種場景的覆蓋策略、網(wǎng)絡(luò)部署等問題進(jìn)行深入研究。

表1 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)分類

與傳統(tǒng)LTE技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)在幀結(jié)構(gòu)、時隙結(jié)構(gòu)、物理信道和不連續(xù)接收模式等方面進(jìn)行了增強(qiáng)設(shè)計[5]，從而在實際應(yīng)用上具有如下性能優(yōu)勢。

在覆蓋能力方面，提高功率譜密度：通過自帶濾波的OFDM、F-OFDM+自適應(yīng)調(diào)制編碼+多用戶調(diào)度機(jī)制、窄帶調(diào)頻技術(shù)（PRACH）和共軛雙序列同步信號等窄帶設(shè)計保證傳輸帶寬大幅壓縮（如表2所示）；重復(fù)發(fā)送及低階編碼：根據(jù)重傳增益=10×lg（重傳次數(shù)），可獲得9～12 dB的時域分集增益連同3～4 dB的編碼增益；上行Inter-site CoMP技術(shù)：可獲得3 dB增益。因此，NB-IoT既能滿足鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村區(qū)域的廣覆蓋需求，也能實現(xiàn)城區(qū)的深度覆蓋（如室內(nèi)、地下等高穿透損耗區(qū)域）。

表2 不同技術(shù)的功率譜密度比較

在容量方面，NB-IoT技術(shù)通過小分組數(shù)據(jù)發(fā)送、終端極低激活比和減小空口信令開銷等優(yōu)化設(shè)計能夠支持更多并發(fā)連接，尤其在多種業(yè)務(wù)混合（即不同分組大小、上報間隔或軟件配置業(yè)務(wù)組合）中，在滿足低速物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的同時獲得比現(xiàn)有蜂窩移動網(wǎng)絡(luò)50～100倍接入量的提升。

在功耗方面，NB-IoT技術(shù)使用一系列端到端優(yōu)化流程、eDRX（增強(qiáng)型非連續(xù)接收）和PSM模式，保證終端在物聯(lián)網(wǎng)通信連接的持續(xù)性。針對終端不同功耗狀態(tài)（包括連接態(tài)、空閑態(tài)和休眠態(tài)）和分配給業(yè)務(wù)模型的不同狀態(tài)占比，通過優(yōu)化去激活定時器、PSM激活定時器和長TAU定時器等軟件設(shè)置來實現(xiàn)功耗參數(shù)的優(yōu)化。

在成本方面，NB-IoT技術(shù)提出的新物理層標(biāo)準(zhǔn)極大簡化了基帶模塊、協(xié)議棧處理流程開銷以及收發(fā)裝置，使得終端成本遠(yuǎn)低于4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)終端。

2 運營商網(wǎng)絡(luò)部署方案

3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織對5G空口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的推動包含全新空口路線和LTE演進(jìn)空口路線，5G新引入頻率將采用全新空口技術(shù)，現(xiàn)有低頻頻率空口技術(shù)選擇存在不確定性。同時，當(dāng)前5G新空口尚不支持物聯(lián)網(wǎng)場景，NB-IoT技術(shù)有望演進(jìn)成為5G技術(shù)一部分，基于LTE FDD低頻段部署蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)5G大連接場景的主要途徑之一。

綜合國內(nèi)外運營商業(yè)務(wù)目標(biāo)和建設(shè)、競爭及投資等因素，我國蜂窩物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)目標(biāo)主要聚焦于90%～95%的覆蓋概率下，按照下行邊緣速率滿足4 Mbit/s、上行邊緣速率滿足512 kbit/s～1 Mbit/s的目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)。NB-IoT為同頻組網(wǎng)，而GSM是異頻組網(wǎng)，NB-IoT的建設(shè)不能簡單繼承GSM的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 NB-IoT規(guī)劃建網(wǎng)的優(yōu)化舉措

3.1 確定規(guī)劃指標(biāo)

根據(jù)不同應(yīng)用場景（包括密集/一般城區(qū)、縣城及鄉(xiāng)鎮(zhèn)和熱點農(nóng)村等）的業(yè)務(wù)需求，以覆蓋率、上/下行邊緣速率、參考信號接收功率和信號與干擾加噪聲比等為規(guī)劃指標(biāo)進(jìn)行模型確立。充分考慮各場景下無線傳播特性的差異，定制分場景的細(xì)化設(shè)計方案，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)工作。考慮到不同業(yè)務(wù)類型的終端分布差異大以及更多集中在室內(nèi)區(qū)域，同時終端業(yè)務(wù)模型不確定性強(qiáng)（多是混合型業(yè)務(wù)），需結(jié)合實際數(shù)據(jù)測試對傳輸模型（如增加穿透損耗等）進(jìn)行補充修正。

在城區(qū)廣度加深度覆蓋要求下，采用仿真結(jié)合路測的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；在鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村重點覆蓋要求下，一般采用網(wǎng)格化精細(xì)規(guī)劃結(jié)合路測的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。

3.2 建立規(guī)劃體系

規(guī)劃體系主要包括頻率規(guī)劃、覆蓋規(guī)劃和容量規(guī)劃3個方面。

（1）頻率規(guī)劃：NB-IoT帶寬為180 kHz，支持獨立、LTE帶內(nèi)和LTE保護(hù)帶3種工作模式，其中獨立模式發(fā)射功率高，在覆蓋、速率、容量和時延方面性能最優(yōu)，同時部署在傳統(tǒng)的GSM頻譜或其它離散頻譜，更容易減少與現(xiàn)有或未來LTE系統(tǒng)發(fā)生干擾，在具備200 kHz頻率資源情況下是最佳規(guī)劃選擇。中國移動選擇GSM 900 MHz頻段部署，中國電信選擇CDMA 800 MHz，中國聯(lián)通選擇900 MHz和1800 MHz聯(lián)合部署、且80%的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署在1800 MHz。

（2）覆蓋規(guī)劃：900 MHz具有比1800 MHz更強(qiáng)的穿透能力，建議優(yōu)先選擇。鏈路預(yù)算是評價無線系統(tǒng)覆蓋能力的指標(biāo)之一，通過對系統(tǒng)信號傳播過程中各種影響因素分析建模，得出最大允許路徑損耗。NB-IoT通過各種措施獲得優(yōu)于其它通信系統(tǒng)的最大允許路徑損耗：根據(jù)Okumura-Hata傳輸模型（路徑損耗與覆蓋頻率的關(guān)系），在其它條件均相同的情況下，NB-IoT優(yōu)于LTE FDD（2.1 GHz）系統(tǒng)9.63 dB、優(yōu)于TDLTE（2.6 GHz）系統(tǒng)12.1 dB。另外，多天線配置、提高發(fā)射功率也能從一定程度上提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

雖然NB-IoT覆蓋能力較現(xiàn)有GSM、LTE網(wǎng)絡(luò)大大增強(qiáng)，但實際物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在室內(nèi)和地下區(qū)域居多，僅依靠室外站點覆蓋室內(nèi)場景效果不佳。室內(nèi)盲區(qū)可通過大數(shù)據(jù)分析，通過新增小基站、直放站、室內(nèi)分布和手機(jī)伴侶等手段進(jìn)行補充覆蓋。在后續(xù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，需綜合參考各覆蓋場景的穿透損耗情況， 根據(jù)覆蓋預(yù)期值（等于規(guī)劃值-OTA及天線損耗-穿透損耗）合理優(yōu)化室內(nèi)站點的建設(shè)。

（3）容量規(guī)劃：NB-IoT相比GSM、LTE系統(tǒng)具有約20 dB的覆蓋性能增強(qiáng)，是實現(xiàn)1：N組網(wǎng)的基礎(chǔ)。在性能測試中，通過設(shè)置不同系統(tǒng)參數(shù)：如覆蓋率（95%、99%等）、站點比例得出不同應(yīng)用場景的平均速率、邊緣速率、RSRP和SINR等指標(biāo)。對于室內(nèi)深度覆蓋（需考慮額外穿損）的業(yè)務(wù)，需要99%的覆蓋率和1：1（與GSM網(wǎng)站點比例）組網(wǎng)模式；對于淺層室內(nèi)覆蓋類業(yè)務(wù)，需要99%的覆蓋率和1：N1組網(wǎng)模式（沒有額外穿損，N1值由具體環(huán)境情況和業(yè)務(wù)類型而定）；對于室外覆蓋類業(yè)務(wù)，可采用1：N2的組網(wǎng)模式（N2＞N1）。

城區(qū)的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)基于LTE FDD規(guī)劃站址按需部署，實現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力（如表3所示）。以1：1組網(wǎng)模式建設(shè)，可提供較GSM強(qiáng)23 dB的深度覆蓋能力；以1：2組網(wǎng)模式建設(shè)，可提供較GSM強(qiáng)17 dB的深度覆蓋能力；以1：4組網(wǎng)模式建設(shè)，可提供較GSM強(qiáng)8～11 dB的深度覆蓋能力。對于LTE網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋的貧困村、偏遠(yuǎn)村地區(qū)，可采用900 MHz LTE FDD基站完成電信普遍服務(wù)的覆蓋建設(shè)，原則上與900 MHz GSM現(xiàn)網(wǎng)宏基站1：1共址建設(shè)。

3.3 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

（1）建設(shè)一張普遍窄帶通信網(wǎng)，全面覆蓋城區(qū)、按需覆蓋農(nóng)村。優(yōu)點是以終為始進(jìn)行規(guī)劃，同頻干擾小，推動NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的同時提供普遍服務(wù)，缺點是投資較大、風(fēng)險較高，短期內(nèi)網(wǎng)絡(luò)利用率較低。

表3 NB-IoT與LTE FDD容量規(guī)劃指標(biāo)

（2）分區(qū)域（如智慧城市和大型企業(yè)廠區(qū)）建設(shè)。優(yōu)點是按需規(guī)劃建設(shè)、投資方向明確，在特定區(qū)域內(nèi)可確保網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和投資回報比，缺點是建設(shè)規(guī)模易受市場談判、企業(yè)本身和政府策略影響。

（3）分小區(qū)按需建設(shè)。優(yōu)點是精確投資和較強(qiáng)的回報比，缺點是缺乏全局難以推動產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模發(fā)展。結(jié)合某運營商物聯(lián)網(wǎng)部署現(xiàn)狀，建議方案1為主、方案2為輔進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，最終實現(xiàn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模部署。

NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗180 kHz帶寬，可直接部署于GSM、LTE或UMTS網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署方面，主要有新建NB-IoT系統(tǒng)（新建BBU和基帶板、RRU、天線等，開通NB-IoT和LTE FDD軟件功能）、基于LTE系統(tǒng)新建（利舊基帶板，新增RRU、天線，開通NB-IoT或LTE FDD軟件功能）和基于GSM系統(tǒng)升級（利舊RRU、天線，新增BBU或基帶板，開通NB-IoT或LTE FDD軟件功能）。方案1雖然實現(xiàn)簡單、性能最優(yōu)，但從投資和天面資源考慮不太推薦，方案2改動天面會對LTE系統(tǒng)性能造成一定影響，方案3基于多模設(shè)備便于后期新建系統(tǒng)的部署。建議根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)不同情況，綜合考慮建設(shè)成本、實施難度、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等因素合理選擇建設(shè)方式。

3.4 保障平滑升級

對某運營商而言，后期有拿到LTE FDD牌照的可能，因此要對GSM、NB-IoT和LTE FDD進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃。在頻率規(guī)劃上，GSM 900 MHz會將更多的資源重耕給NB-IoT和LTE FDD系統(tǒng)所用。隨著NB-IoT的獨立部署（其頻點在高端、GSM頻點分布在LTE兩側(cè)），可根據(jù)容量需求靈活增加頻點。在設(shè)備規(guī)劃上，主要利舊、升級GSM現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，同時兼顧LTE FDD：從設(shè)備方面使用多模式設(shè)備和多端口天線。

NB-IoT建設(shè)還要兼顧GSM和TD-LTE廠家情況，綜合考慮建設(shè)成本、實施難度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等因素，合理選擇建設(shè)方式保障網(wǎng)絡(luò)平滑升級。GSM升級方案具備節(jié)省建設(shè)成本、實現(xiàn)快速部署的優(yōu)勢，在GSM升級比例較高地區(qū)可優(yōu)選GSM同廠商設(shè)備；TD-LTE/LTE FDD同廠家組網(wǎng)具備接口統(tǒng)一、無線資源調(diào)度效率高、可部署載波聚合以及提高客戶感知等優(yōu)勢，在GSM升級比例低、工程實施難度小和客戶感知要求高的地區(qū)，落地方案可優(yōu)先選擇TD-LTE同廠商設(shè)備。

4 NB-IoT面臨的挑戰(zhàn)

近年來，美國、歐盟、中國和日本等經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國均從國家戰(zhàn)略角度積極推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但各大運營商在實現(xiàn)過程中仍然面臨商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等多重挑戰(zhàn)：在商業(yè)模式方面，由于NB-IoT支持小分組數(shù)據(jù)發(fā)送、終端功能簡化，運營商單純通過數(shù)據(jù)管道獲得的利潤遠(yuǎn)不如建設(shè)成本的投資。因此，除了提供基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)以外，開拓連接管理平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用平臺、有機(jī)整合各項能力是運營商需要轉(zhuǎn)型的重點。在產(chǎn)業(yè)鏈方面，NB-IoT缺乏成熟的上下游產(chǎn)業(yè)（包括運營管理、系統(tǒng)軟件、模塊芯片、云服務(wù)平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用等），因而在市場成熟度方面需要各廠商努力推進(jìn)與協(xié)作。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，該技術(shù)尚不支持語音業(yè)務(wù)，也難以滿足定位、連接態(tài)移動性等需求，而只適用于小數(shù)據(jù)周期性上報類型和實時性不強(qiáng)的業(yè)務(wù)；同時，標(biāo)準(zhǔn)的不確定性和滯后性嚴(yán)重阻礙了技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)鏈成熟?？傊?，低功耗廣域類業(yè)務(wù)除了NB-IoT技術(shù)之外，還有基于LTE的eMTC、LoRa和Sigfox等技術(shù)，如何推動NB-IoT商業(yè)模式、產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的快速成熟并在眾多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中脫穎而出是運營商需要盡快解決的問題。

5 結(jié)束語

雖然物聯(lián)網(wǎng)已在全球范圍內(nèi)建設(shè)部署，但其商業(yè)模式和產(chǎn)業(yè)布局仍處在初期探索階段。NB-IoT主要在低頻段部署，技術(shù)特征基本滿足未來5G海量物聯(lián)網(wǎng)連接需求，因此需要在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上繼續(xù)快速演進(jìn)，以承載未來5G海量物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。通過分析各種區(qū)域和場景的差異化需求，可為后續(xù)NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、模型校正及發(fā)展演進(jìn)提供參考依據(jù)，從而實現(xiàn)GSM、NB-IoT和LTE FDD聯(lián)合組網(wǎng)的目的。

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